Segundo ciclo de funcionamiento del LHC: nuevas fronteras en Física

A principios de 2013, después de tres años de funcionamiento, el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) cerró para un mantenimiento planeado. Ahora, el mayor y más potente acelerador de partículas del mundo está preparado para empezar a funcionar de nuevo a 13 TeV, casi el doble de su energía anterior. Esta nueva frontera energética permitirá a los investigadores probar nuevos límites en nuestro entendimiento de la estructura de la materia.

Colisión en el LHC

El bosón de Higgs

El 4 de julio de 2012, los experimentos ATLAS y CMS del CERN anunciaron el descubrimiento del bosón de Higgs, una partícula con una masa de 126 GeV. El Higgs es la manifestación más simple del mecanismo de Brout-Englert-Higgs que da masa a las partículas elementales. Es la última partícula del Modelo Estándar, la teoría que explica las partículas elementales y sus interacciones, en ser descubierta. Al incrementar la energía de las colisiones del LHC aumentarán también la posibilidad de crear bosones de Higgs en las colisiones, lo cual permitirá a los científicos medirlos con precisión y comprobar sus modos de desintegración. Las colisiones de muy alta energía podrían detectar pequeñas y sutiles diferencias entre lo que parece el bosón según los experimentos y lo que predice el Modelo Estándar.

Partículas exóticas

Algunas teorías predicen que podría existir todo un nuevo grupo de partículas que los físicos no pueden detectar porque éstas no interactúan con la fuerza electromagnética. Pero si estas partículas del "sector oscuro" tienen masa, interactuarán con el campo asociado con el bosón de Higgs. El bosón de Higgs se convierte así en un punto de contacto entre el Modelo Estándar y nuevas y más exóticas partículas.

Materia oscura

La invisible materia oscura compone la mayor parte del universo, pero solo podemos detectarla por sus efectos gravitacionales. Pero, ¿qué es la materia oscura? Una idea es que podría contener "partículas supersimétricas", partículas hipotéticas compañeras de las que conocemos en el Modelo Estándar. Los datos del funcionamiento del LHC a alta energía podrían proporcionar pistas directas para resolver este misterio.

Supersimetría

El Modelo Estándar ha funcionado perfectamente para predecir lo que los experimentos han descubierto hasta hora sobre los ladrillos que componen la materia, pero la teoría está incompleta. Supersimetría es una extensión del Modelo Estándar que busca completar algunos de estos huecos. Predice una partícula compañera para cada una de las partículas del Modelo Estándar. Estas nuevas partículas resolverían un problema mayor, determinando la masa del bosón de Higgs. Si la teoría es correcta, las partículas supersimétricas deberían aparecer en las colisiones de alta energía del LHC.

Dimensiones extra

¿Por qué la gravedad es mucho menor que otras fuerzas fundamentales? Quizá no sentimos todo el efecto de la gravedad porque se propaga hacia dimensiones extra. Pero, ¿cómo podríamos probar su existencia? Una opción es encontrar evidencias de partículas que solo podrían existir si esas dimensiones extra son reales. Teorías que requieren dimensiones extra predicen que, del mismo modo que tienen un estado fundamental de baja energía y estados excitados de alta energía, podría haber versiones más pesadas de las partículas estándar en otras dimensiones. Estas partículas pesadas podrían encontrarse a las altas energías que el LHC alcanzará en el Run 2.

Antimateria

Cada partícula de materia tiene su correspondiente antipartícula, una réplica exacta pero con carga opuesta. El electrón, por ejemplo, tiene su "antielectrón" llamado positrón, idéntico en todo pero con carga eléctrica positiva. Cuando la materia y la antimateria entran en contacto se aniquilan, desapareciendo en un destello de energía. El Big Bang debería haber creado las mismas cantidades de materia que de antimateria. ¿Por qué entonces hay mucha más materia que antimateria en el universo? Funcionar a energías mayores permitirá la producción de más antipartículas para el programa de investigación del CERN basado en la antimateria, permitiendo a los físicos comprobar si las propiedades de la antimateria difieren de las de la materia.

Plasma de quarks y gluones

Durante algunas millonésimas de segundo, justo después del Big Bang, el universo estaba lleno de una sopa increíblemente caliente y densa compuesta de todos los tipos de partículas moviéndose a una velocidad cercana a la de la luz. Esta mezcla estaba dominada por quarks, los bloques elementales de la materia, y por gluones, portadores de la fuerza fuerte que mantiene a los quarks juntos en los protones, neutrones y otras partículas. En estos primeros momentos de temperatura extrema, quarks y gluones estaban ligados débilmente, libres para moverse en el llamado plasma de quarks y gluones. Las colisiones de alta energía del LHC permitirán nuevos y más detallados estudios para caracterizar este estado de la materia.